華中科技大學(xué)第2講：認(rèn)識激光-愛因斯坦唯像理論-朱曉

光電子學(xué)導(dǎo)論第2講：認(rèn)識激光----愛因斯坦唯像理論主講人：朱曉2014-02認(rèn)識激光（激光是如何產(chǎn)生的？）激光原理與技術(shù)英文名稱：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation---------LASER中文名稱：受激輻射的光放大---簡稱激光激光是如何產(chǎn)生的？第一節(jié)普朗克黑體輻射第二節(jié)愛因斯坦唯像理論第三節(jié)對愛因斯坦唯像理論的修正第四節(jié)激光器速率方程理論激光原理與技術(shù)黑體輻射與普朗克公式黑體：一個(gè)物體能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，則稱此物體為絕對黑體或黑體。自然界中不存在絕對黑體，而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。黑體輻射：當(dāng)黑體處于某一恒定溫度的熱平衡狀態(tài)，它吸收的電磁輻射和發(fā)射的電磁輻射完全相等，即處于能量平衡狀態(tài)，這將導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場。這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。第一節(jié)普朗克黑體輻射激光原理與技術(shù)普朗克公式：光波模式的概念？激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)在自由空間，具有任意波矢的單色波都可以存在，但是當(dāng)光被約束在有限空間,其本征模式不同于平面單色波,在一個(gè)有界的空間V內(nèi)，只有一系列特定的平面單色駐波存在。光波模式的概念？在空腔為的立方體內(nèi)，滿足駐波條件：相鄰模的間隔為：每個(gè)模式在空間占有的體積元為：激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)光子態(tài)與光波模式是電磁場運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的兩種等效提法，是兩種等效的物理概念；相格的空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積；屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，而不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。驗(yàn)證了光子假說的正確性。平衡態(tài)時(shí)，空腔中的模式是固定的。再次說明同一模式的光子是相干的。為愛因斯坦唯像理論奠定了基礎(chǔ)。激光原理與技術(shù)普朗克黑體輻射公式的意義第二節(jié)愛因斯坦唯像理論激光原理與技術(shù)自發(fā)輻射---（Spontaneousemission）激光原理與技術(shù)受激吸收（StimulatedAbsorption）激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)受激輻射（StimulatedEmission）激光原理與技術(shù)－單色能量密度(J·m-3·s)受激吸收幾率W12受激輻射幾率W21自發(fā)輻射幾率A21激光原理與技術(shù)二、愛因斯坦關(guān)系式－A21

、B21

和B12的關(guān)系愛因斯坦關(guān)系熱平衡黑體輻射公式玻爾茲曼分布模密度n

黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式的平均能量f1=f2說明：1、上述三種過程同時(shí)存在只是強(qiáng)弱存在差別。2、在熱平衡狀態(tài)下兩種輻射的比較（自發(fā)輻射和受激輻射）：自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢。3、自發(fā)輻射的光子可作為受激吸收和受激輻射的誘導(dǎo)光子4、自發(fā)輻射的光子相位無規(guī)則分布因而不具有相干性；受激輻射的光子與入射光子具有相同光子態(tài)。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)受激輻射的相干性自發(fā)輻射和受激輻射的區(qū)別是什么？自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、偏振方向等特性上是無規(guī)則的，即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有的電磁場模式上；受激輻射則是受到外加電磁場激發(fā)而產(chǎn)生的過程，由量子電動(dòng)力學(xué)可以嚴(yán)格證明受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，即具有相同的頻率、相位、波矢和偏振等特性。按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡諧振動(dòng)的電偶極子，自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個(gè)原子的自發(fā)躍遷互相之間沒有關(guān)聯(lián)；而受激輻射可以看作電子在外加光場作用下做受迫振動(dòng)，其振蕩頻率、相位、方向等與外加光場一致。